CN108775980A - 基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置及其检测方法，装置包括具有应力传感器多芯光缆，该多芯光缆的N根纤芯的末端与输入输出模块的一端相连，该输入输出模块的另一端通过N根纤芯与解调仪的通道端口相连，该解调仪通过以太网或串口等通信方式与数据处理平台相连。本发明将具有应力传感器多芯光缆安装在轨腰与轨头连接处对轨道进行安全检测，有效消除了温度与应变交叉敏感性，提高影响轨道的结构健康安全的来源分析。特别是利用多芯光缆及其传感器获得的信号计算出矢量信号，包括应力大小和弯曲方向，并设置安全阈值，提高了轨道的安全系数。

Description

基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及轨道检测，特别是一种基于多芯光缆的轨道安全检测装置及其检测方法。

背景技术

随着轨道交通的高速发展，高铁、轻轨和地铁等轨道交通工具成为人们出行的首选。轨道是轨道交通的基础设备，由于轨道长期处于野外中，经常遭受恶劣环境和轨道交通列车的作用，轨道及其联结元件会被不断磨损，从而导致轨道的几何形状发生变化。目前，轨道检测方式主要分为静态检测和动态检测两种：静态检测是在没有车轮负载的情况下，通过人工或轻型的测量小车来检测线路；动态检测是在有车轮负载的情况下，通过轨道检查车、车载式线路检查仪和添乘仪等设备来检测线路。但是这两种技术都不能实时监测，一旦发生事故，可能会造成严重的后果。其次，无法实时获得轨道的矢量信息。矢量信息对了解轨道非正常现象发生的原因有重要意义，能帮助人们对轨道的状态做出更加精准的判定和预测。

从19世纪70年代开始，光纤传感技术开始了飞速的发展。光纤具有高灵敏度、抗电磁干扰等诸多特点，已经应用于多个领域。大部分光纤或者光缆无法获取矢量信息。而目前大部分商用光缆是用于长距离通信，而不是传感。原因在于，通信光缆中缆芯之间的空间排列是不规则的，导致无法利用缆芯间的空间排列差异来判断外部信息；通信光缆是松套结构，会产生相对滑动的现象。同时，也存在着交叉干扰的问题，无法消除温度和应变等干扰带来的交叉影响。Matthew D.Rogge(专利号US 8746076)等人提出利用多芯光纤对任意初始形状进行形状传感的方法。但其未能测量出应力大小，不能获取矢量信息。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供一种基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置及其检测方法。该装置和方法对实时获取轨道安全矢量信息和抑制交叉干扰有所帮助；其次是具有应力传感器多芯光缆的安装位置，提高了影响轨道的结构安全的来源分析；利用多芯光缆及其传感器获得的信号来计算出矢量信号，包括应力大小和弯曲方向，并设置安全阈值，提高轨道的安全系数。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置，其特点在于包括具有应力传感器多芯光缆，该多芯光缆由光纤依次包覆有涂覆层和外套保护层构成，所述的光纤对称分布的N根纤芯，其中一根纤芯位于光纤的对称中心，称为中心纤芯，其余N-1根纤芯围绕所述的中心纤芯在所述的光纤的横截面内呈中心对称分布，N为大于4的正整数，在所述的光纤的同一位置的每根纤芯上刻写有相同周期性的光栅结构构成应力传感器，该多芯光缆的N根纤芯的末端与输入输出模块(FIFO)相连，该输入输出模块(FIFO)的另一端通过N根纤芯与解调仪的通道端口相连，该解调仪通过以太网或串口等通信方式与数据处理平台相连。

所述的周期性的光栅结构，包括基于光纤布拉格光栅、分布布里渊散射或分布拉曼散射传感器。

利用上述基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置进行轨道安全的检测方法，该方法包括下列步骤：

1)初始化安装：将多芯光缆紧贴地安装在轨道的轨腰与轨头连接处的受力敏感处，将所述的多芯光缆的末端与FIFO模块的一端相连，以便光信号输入或输出每根纤芯，所述的FIFO模块另一端与解调仪的通道端口相连，该解调仪通过以太网或串口等通信方式与数据处理平台相连；

2)计算弯曲导致的应变：由于每根光纤都具有周期性的光栅结构，所以会产生N路反射信号，第i根纤芯的反射信号为反射信号经过FIFO模块，进入解调仪，该解调仪解调出第i路纤芯的波长偏移量Δλ_i(i＝1,2,......,N)；

光栅结构的应变ε_i与波长偏移量Δλ_i的关系为：

ε_i＝f(Δλ_i)(i＝1,2,......,N)

此时得到的应变ε_i是受很多因素影响的，例如温度，拉伸和弯曲等因素，应变ε_i与弯曲导致的应变ε_B,i关系是：

ε_i＝ε_a+ε_B,i(i＝1,2,......,N)

其中，ε_a是由于非弯曲导致的应变，ε_B,i是由于弯曲导致的应变，中心纤芯的应变是由于温度(非弯曲)等因素引起的应变为ε₁，则其余N-1根纤芯由于弯曲导致的应变是：

ε_B,i＝ε_i-ε₁(i＝2,3,.....,N)

3)计算弯曲方向和应力大小：N-1根纤芯的曲率向量的矢量和为κ_app：

其中，d_i是第i路纤芯到中心纤芯的距离；θ_i是第i路纤芯到X轴正方向的角度；分别是X轴和Y轴的单位向量，则矢量和κ_app的绝对值为：

由于外围的N-1根纤芯是对称的，所以多芯光缆的曲率κ可以表示为：

弯曲方向θ_b是相对于X轴正方向偏移的角度，θ_b可表示为：

根据材料力学的理论，多芯光缆紧贴轨道，符合弯曲模型，所以最大正应力σ_max为：

其中，E为弹性模量，x_max为纤芯到X轴的最大距离，将上述得到的多芯光缆的曲率κ代入，得到应力的大小；

4)实时监测：设置应力σ_max与弯曲方向θ_b的变化的安全阈值Δσ_o、Δθ_bo，将应力σ_max与弯曲方向θ_b的变化量Δσ、Δθ_b和安全阈值Δσ_o、Δθ_bo进行比较，当Δσ、Δθ_b小于安全阈值时，继续采集和记录应力σ_max与弯曲方向θ_b；当Δσ、Δθ_b大于安全阈值时，发出警报。

所述的多芯光缆紧贴轨道的方式包括嵌入、焊接或通过固定件固定。

本发明具有以下优点：

1.本发明通过利用具有特定空间结构的多芯光缆及其传感器，对实时获取轨道的矢量信息和抑制交叉干扰有所帮助；

2.本发明将多芯光缆安装在轨道中轨腰与轨头连接处的受力敏感位置，提高影响轨道的结构健康安全的来源分析；

3.本发明对轨道的实时监测，提高了轨道的安全系数。

附图说明

图1是本发明实施例—基于七芯光缆结构的轨道安全检测装置的七芯光缆的横剖面示意图。

图2是本发明实施例—基于七芯光缆结构的轨道安全检测装置的具有光纤布拉格光栅的七芯光缆示意图。

图3是本发明实施例—基于七芯光缆结构的轨道安全检测装置的七芯光缆与轨道安装的结构示意图。

图4是本发明实施例—基于七芯光缆结构的轨道安全检测装置结构示意图。

图5是本发明实施例—基于七芯光缆结构的轨道安全检测装置七芯光缆截面的平面坐标示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1、图2、图3、图4和图5，是本发明实施例—基于七芯光缆结构的轨道安全检测装置的示意图。由图可见，本发明实施例—基于七芯光缆结构的轨道安全检测装置，包括具有应力传感器的多芯光缆5，该多芯光缆5由光纤2依次包覆有涂覆层3和外套保护层4构成，所述的光纤2对称分布的7根纤芯1，其中一根纤芯位于光纤2的对称中心，称为中心纤芯，其余6根纤芯围绕所述的中心纤芯在所述的光纤2的横截面内呈中心对称分布(参见图1)，在所述的光纤2的同一位置的每根纤芯上刻写有相同周期性的光纤布拉格光栅6构成应力传感器(参见图2)，该多芯光缆5的7根纤芯的末端与输入输出模块FIFO相连，该输入输出模块FIFO的另一端通过N根纤芯与FBG解调仪的输入端相连，该FBG解调仪的输出端与数据处理平台的输入端相连(可见图4)。

所述的周期性光纤布拉格光栅6构成分布布里渊散射、分布拉曼散射或集中布拉格光栅传感器。

下面是本实施例的更详细说明：

参见图1，多芯光缆5由具有七根纤芯1的光纤2、涂覆层3和外套保护层4组成。其中，光纤2中含有七根纤芯。外层有六根纤芯以六边形的形状排列，分布位于六边形的顶点，中间是一根纤芯。六边形的空间排列结构具有周期性和对称性等特点，相邻顶点的角度是60°。在光纤2的侧面图上，至少具有六个等边三角形和六条对称轴。相邻纤芯之间的距离是41.5μm，纤芯1直径是8μm，光纤2的直径是150μm。保护外套4是不锈钢金属套，对多芯光缆5提供机械缓冲保护，同时防止外部恶劣环境对多芯光缆5的腐蚀。在保护外套4和光纤2之间，填充着涂覆层3，其组成成分是硅胶。涂覆层3包裹着光纤2，用于传递和缓冲外部应力。由于硅胶具有很好的稳定性，所以适用于大部分恶劣的环境。

图2是本发明实施例—基于七芯光缆结构的轨道安全检测装置的具有光纤布拉格光栅的七芯光缆示意图。在多芯光缆5的同一位置，七根纤芯1刻写了周期性FBG(光纤布拉格)光栅结构6。在多芯光缆5的不同位置，可以刻写多个具有一定中心波长间隔的FBG光栅结构6。

图3是本发明实施例—基于七芯光缆结构的轨道安全检测装置的七芯光缆与轨道安装的结构示意图。利用ANSYS对轨道进行建模仿真，在轨道上施加满载列车的载荷，可以得知轨道的受力敏感点在轨头和轨腰的连接处。所以将多芯光缆5安装在轨道7的轨腰与轨头连接处的受力敏感点处。

基于FBG的传感原理，利用本发明实施例基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置进行轨道安全的检测方法，该方法包括下列步骤：

1)初始化安装：将多芯光缆5安装于轨道7的轨腰与轨头连接处的受力敏感点处，务必将多芯光缆5紧贴轨道7，方式可以是嵌入、焊接或者通过固定件固定等。搭建FBG传感系统，如图4所示。图4是基于七芯光缆结构的传感系统示意图。多芯光缆5的末端与FIFO(FAN-IN AND FAN-OUT)模块相连，以便光信号输入或输出到每路纤芯1。所述的FIFO模块与FBG解调仪相连，并将FBG解调仪得到的数据传送到数据处理平台，统一处理；

2)计算弯曲导致的应变：FBG解调仪发出七路宽谱入射光源λ，经过FIFO模块后，使七路入射光λ分别进入七芯光缆5的每根纤芯1，由于每根纤芯1都刻有FBG，所以每根纤芯1会返回反射信号反射信号再次经过FIFO模块，进入FBG解调仪，该FBG解调仪解调出每路纤芯1的波长偏移量Δλ_i(i＝1,2,......,7)：

由于FBG光栅应变ε_i与波长偏移量Δλ_i的关系为

其中，为第i路纤芯1的FBG的中心波长，P_e为有效弹光系数，而此时得到的应变ε_i是受很多因素影响的，例如温度，拉伸和弯曲等因素。所以，应变ε_i与弯曲导致的应变ε_B,i关系是：

ε_i＝ε_a+ε_B,i(i＝1,2,......,7)

其中，ε_a是由于非弯曲导致的应变，ε_B,i是由于弯曲导致的应变，中心纤芯1的应变是由于温度(非弯曲)等因素引起的，令为ε₁，所以其余六根纤芯中由于弯曲导致的应变是：

ε_B,i＝ε_i-ε₁(i＝2,3,.....,7)

3)计算弯曲方向和应力大小：图5是多芯光缆5截面的局部坐标示意图。省略了涂覆层3和外套保护层4。六根纤芯1的曲率向量的矢量和κ_app为：

其中，d_i是第i路纤芯到中间纤芯的距离，即41.5μm；θ_i是纤芯到X轴正方向的角度；分别是X轴和Y轴的单位向量，则矢量和κ_app的绝对值大小为：

由于外围的六根纤芯是对称的，所以多芯光缆5的曲率κ可以表示为：

弯曲方向θ_b是相对于X轴正方向偏移的角度，上述的κ_app与θ_b的关系是：

根据材料力学的理论，多芯光缆紧贴轨道，符合弯曲模型，所以最大正应力σ_max为：

其中，E为弹性模量，x_max为纤芯到X轴的最大距离，将步骤3)得到的多芯光缆的曲率κ代入，得到应力的大小。

4)实时监测：设置合适的安全阈值，比较应力σ_max与弯曲方向θ_b的变化量Δσ、Δθ_b和安全阈值，当Δσ、Δθ_b小于安全阈值时，继续采集和记录应力σ_max与弯曲方向θ_b；当Δσ、Δθ_b大于安全阈值时，发出警报。

实验表明，本发明对实时获取轨道安全矢量信息和抑制交叉干扰有所帮助；其次是具有应力传感器多芯光缆的安装位置，提高了影响轨道的结构安全的来源分析；利用多芯光缆及其传感器获得的信号计算出矢量信号，包括应力大小和弯曲方向，并设置安全阈值，提高轨道的安全系数。

以上所述仅为本发明的实施例之一，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置，其特征在于包括具有应力传感器的多芯光缆(5)，该多芯光缆(5)由光纤(2)依次包覆有涂覆层(3)和外套保护层(4)构成，所述的光纤(2)对称分布的N根纤芯(1)，其中一根纤芯位于光纤(2)的对称中心，称为中心纤芯，其余N-1根纤芯围绕所述的中心纤芯在所述的光纤(2)的横截面内呈中心对称分布，N为大于4的正整数，在所述的光纤(2)的同一位置的每根纤芯上刻写有相同周期性的光栅结构构成应力传感器，该多芯光缆(5)的N根纤芯的末端与输入输出模块(FIFO)相连，该输入输出模块(FIFO)的另一端通过N根纤芯与解调仪的通道端口相连，该解调仪通过以太网或串口等通信方式与数据处理平台相连。

2.根据权利要求1所述的基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置，其特征在于所述的周期性的光栅结构，包括基于光纤布拉格光栅(6)、分布布里渊散射或分布拉曼散射传感器。

3.利用权利要求1所述的基于多芯光缆结构的轨道安全检测装置进行轨道安全的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)初始化安装：将多芯光缆(5)紧贴地安装在轨道(7)的轨腰与轨头连接处的受力敏感处，将所述的多芯光缆(5)的末端与FIFO模块的一端相连，以便光信号输入或输出每根纤芯，所述的FIFO模块另一端与解调仪的通道端口相连，该解调仪通过以太网或串口与数据处理平台相连；

2)计算弯曲导致的应变：由于每根光纤都具有周期性的光栅结构，所以会产生N路反射信号，第i根纤芯的反射信号为反射信号经过FIFO模块，进入解调仪，该解调仪解调出第i路纤芯的波长偏移量Δλ_i(i＝1,2,......,N)；

光栅结构的应变ε_i与波长偏移量Δλ_i的关系为：

ε_i＝f(Δλ_i)(i＝1,2,......,N)

应变ε_i与弯曲导致的应变ε_B,i关系是：

ε_i＝ε_a+ε_B,i(i＝1,2,......,N)

其中，ε_a是由于非弯曲导致的应变，ε_B,i是由于弯曲导致的应变，中心纤芯的应变是由于非弯曲因素引起的应变为ε₁，则其余N-1根纤芯由于弯曲导致的应变是：

ε_B,i＝ε_i-ε₁(i＝2,3,.....,N)；

3)计算弯曲方向和应力大小：N-1根纤芯的曲率向量的矢量和为κ_app：

其中，d_i是第i路纤芯到中心纤芯的距离；θ_i是第i路纤芯到X轴正方向的角度；分别是X轴和Y轴的单位向量，则矢量和κ_app的绝对值为：

由于外围的N-1根纤芯是对称的，所以多芯光缆(5)的曲率κ可以表示为：

弯曲方向θ_b是相对于X轴正方向偏移的角度，θ_b可表示为：

根据材料力学的理论，多芯光缆紧贴轨道，符合弯曲模型，所以最大正应力σ_max为：

其中，E为弹性模量，x_max为纤芯到X轴的最大距离，将上述得到的多芯光缆(5)的曲率κ代入，得到应力的大小；

4)实时监测：设置应力σ_max与弯曲方向θ_b的变化的安全阈值Δσ_o、Δθ_bo，将应力σ_max与弯曲方向θ_b的变化量Δσ、Δθ_b和安全阈值Δσ_o、Δθ_bo进行比较，当Δσ、Δθ_b小于安全阈值时，继续采集和记录应力σ_max与弯曲方向θ_b；当Δσ、Δθ_b大于安全阈值时，发出警报。

4.根据权利要求3所述的轨道安全的检测方法，其特征在于所述的多芯光缆(5)紧贴轨道(7)的方式包括嵌入、焊接或通过固定件固定。